DIALOGO SUI MATERIALI CERAMICI
Tra un ex-Allievo (A.) ed il suo ex-Professore (P.)

Sergio Meriani - Università di Trieste

A. Professore, dovrei scrivere un articolo di divulgazione sui materiali ceramici che possa far capire cosa sono, cos'è la ceramica, in modo chiaro e convincente, senza entrare troppo nel dettaglio. Come dovrei cominciare?

P. E' un compito abbastanza difficile, perché la ceramica ha una lunga storia dietro di sé. Di solito, articoli come questo iniziano affermando che la ceramica è nata con la cultura dell'uomo "faber" e che deriva il proprio nome dal greco antico "keramiké = arte vasaria", cioè l'arte di fare i vasi di terra-cruda e di terra-cotta che è la materia stessa della ceramica.

A. Quali sono le date e le scoperte che segnano l'inizio della scienza e della tecnologia ceramica più vicine a noi? P. Ci sono un paio di date che potrebbero essere considerate punti di riferimento per i materiali ceramici. La prima riguarda la ceramica d'arte e delle stoviglie pregiate, cioè la porcellana. La storia ci dice che il 28 Marzo 1709 è la data della lettera con la quale Johann Friedrich Boettger aveva rivelato ad Augusto il Forte, Re di Sassonia, di essere in grado di "produrre una bella porcellana bianca …. pari a quella dei cinesi, se non migliore". Tutto ciò accadeva a Dresda dove, nell'anno successivo, è stata fondata la prima industria ceramica europea, nella località di Meissen-Albreschtsburg.

A. Quale sarebbe l'altra data, quella che dovrebbe dare l'inizio della scienza e tecnologia dei materiali ceramici contemporanei?

P. In realtà, potrebbero esserci molte date, che non fanno parte ancora della storia perché sono relativamente recenti. Io vorrei proporti di riferire che ci sono almeno due date che hanno lasciato un segno importante nella storia della ceramica contemporanea. La prima è quella che corrisponde alla pubblicazione di un articolo apparso sulla rivista Nature nel 1975 a cura degli autori R.C. Garvie, R.H. Hannik e R.T. Pascoe recante il titolo "Ceramic Steel". Questo articolo ha dato l'impulso alla ricerca nel settore dei ceramici per applicazioni termomeccaniche, fornendo una chiave di lettura del tutto nuova per questa classe di materiali.
La seconda data corrisponde al conferimento del premio Nobel per la fisica ai due ricercatori Alex Müller e Georg Bednorz, nel 1987. Essi l'hanno ricevuto per aver scoperto che alcuni materiali ceramici diventano superconduttori a temperature relativamente "alte" rispetto a quelle dei metalli. Pochi gradi Kelvin per questi ultimi, alcune decine di gradi Kelvin per i ceramici, perciò temperature facilmente raggiungibili, al livello dell'aria liquida.

A. Come mai questa scelta, dei Nobel per la fisica? Non è troppo lontana dalla ceramica? Che relazione c'è tra questa scoperta ed i materiali ceramici in generale?

P. La relazione non è diretta. Tuttavia, è stato osservato che la scoperta dei superconduttori ceramici ha fatto compiere un salto di qualità alla ricerca sui materiali ceramici in generale, perché in tutte le parti del mondo tantissimi gruppi si sono letteralmente tuffati sull'argomento. Di conseguenza si sono consolidate tutte le conoscenze sui fenomeni che regolano la reattività, la sinterizzazione e, in generale, le relazioni tra microstruttura e proprietà dei materiali ceramici.

A. Ho capito, ma ritornando alla prima data, quella del "Ceramic Steel", questo titolo si può tradurre come "Acciaio ceramico"?

P. Sì, certamente, ma potrebbe essere anche letto con il significato leggermente diverso, cioè quello per cui la ceramica va vista come l'acciaio. In quell'articolo, gli Autori hanno dato l'indicazione che una particolare ceramica può essere trattata come l'acciaio, cioè con trattamenti termici basati sulla conoscenza dei diagrammi di stato per ottenere microstrutture particolari che danno luogo a proprietà particolari. Naturalmente gli autori si riferivano ad una ceramica speciale, quella basata sull'ossido di Zirconio, cosiddetta Zirconia, ma, grazie all'ispirazione ricavata da quell'articolo, numerosi ricercatori hanno esteso questo approccio anche a materiali ceramici diversi.

A. Vuol dire che le proprietà come durezza, carico di rottura e tenacità della "Zirconia" possono essere modulate con dei trattamenti termici, come accade nella tecnologia dell'acciaio? P. Effettivamente sì. Quell'articolo, oltre a proporre un parallelismo provocatorio tra due materiali agli "antipodi", come i ceramici e i metalli, ha dato delle indicazioni illuminanti che avrebbero stimolato la ricerca sui ceramici per i vent'anni successivi. Il tema più discusso per più di dieci anni è stato come aumentare la tenacità dei materiali ceramici. I risultati si sono avuti ed ora abbiamo materiali ceramici che possono essere confrontati con i materiali considerati "non fragili", tanto per non esagerare e chiamarli "tenaci". La conoscenza del ruolo della microstruttura nel definire le proprietà è stato il vero risultato che ci permette oggi di "ingegnerizzare" la microstruttura ceramica come si fa con le leghe metalliche. A. Se ho ben capito, questo articolo aveva dimostrato che la "lega Zirconia" può essere trattata come la "lega acciaio", cioè con un controllo molto accurato della composizione e del trattamento termico, per ottenere la microstruttura voluta, sulla base della similitudine dei loro diagrammi di stato. Queste osservazioni valgono per tutti i materiali ceramici?

P. Evidentemente no, almeno non nella stessa misura. I materiali ceramici sono molto diversi per composizione e struttura e non è possibile generalizzare del tutto. Da quelle intuizioni e da quei suggerimenti, si sono aperte molte altre strade per risolvere i problemi tecnici della ceramica, primo fra tutti quello dell'intrinseca fragilità, della costanza dimensionale dei pezzi e della loro affidabilità in esercizio. I risultati sono stati molto evidenti sul piano industriale sia per i ceramici "avanzati" sia per quelli "tradizionali" classici.

A. Quando si dice "tradizionali" intendiamo le porcellane di Boettger? Quali sono i ceramici "avanzati" e che differenze li contraddistinguono dai tradizionali?

P. Purtroppo sono stato indotto, per vecchia abitudine, a riferirmi a questa distinzione "tradizionali e avanzati" che oggi non avrebbe più motivo di esistere, visto il grande progresso che i ceramici tradizionali hanno compiuto anche grazie alla scienza e tecnologia dei ceramici avanzati.

A. Effettivamente non ho capito molto bene. Resta la domanda sulle differenze che li contraddistinguono. Potrebbe spiegarmi meglio se esiste o meno questa distinzione?

P. Negli anni 70 c'era la tendenza a distinguere i ceramici in questo modo:

(a) i ceramici tradizionali, sulla base del fatto che questi sono realizzati con materie prime naturali (minerali) e con tecnologie di formatura relativamente semplice (colaggio di sospensioni, estrusione o deformazione plastica di impasti semi solidi ecc.), applicando processi di cottura piuttosto lenti e lineari, sempre a pressione ambiente;

(b) i ceramici avanzati, sulla base del fatto che si impiegano materie prime sintetiche, molto pure e spesso costose, con tecniche di formatura che si basano anche su metodi chimici, tecniche sol-gel e coprecipitazioni di idrossidi, oltre a cicli di cottura molto complessi (pressature isostatiche a caldo e in atmosfera controllata). Successivamente, negli anni '80, le scoperte scientifiche e tecniche hanno favorito il trasferimento delle conoscenze dall'uno all'altro dei settori, tanto che negli anni '90 la precedente distinzione è venuta meno, lasciando la sola distinzione basata sulla destinazione d'uso. Perciò, semplificando i materiali ceramici sono da considerarsi:

• tradizionali, quando sono destinati agli impieghi tradizionali, per le costruzioni (mattoni, tegole, piastrelle e simili), per uso domestico (piatti e sanitari), per la decorazione e l'arte (ceramiche artistiche);
• avanzati, quando sono componenti strutturali o funzionali di sistemi complessi. Mi riferisco a parti di macchine per alta temperatura e pressione, utensili da taglio, supporti e componenti per circuiti elettronici, cioè condensatori, termistori, sensori piezoelettrici, di gas, ecc.. Vanno sottolineate le applicazioni nel campo bio-medico, dove sono entrati come componenti di protesi ortopediche e odontoiatriche, e nel campo della catalisi dove occupano un posto preminente nella costruzione dei supporti refrattari nelle marmitte catalitiche.

A. Non so se ho potuto cogliere appieno le differenze e la unificazione finale, comunque rileggerò per riflettere. C'è qualche riferimento a questo proposito che possa darmi una visione più ampia e articolata? P. Certamente i libri sono tanti, c'è solo l'imbarazzo della scelta. Comunque, per una informazione di orientamento, potresti vedere il recente "Manuale dei materiali per l'ingegneria" che è stato realizzato a cura dell'AIMAT, cioè dell'associazione che raccoglie, tra gli altri, anche alcuni di noi, professori di Scienza e Tecnologia dei Materiali. In quel manuale si trattano molti materiali, compresi quelli ceramici tradizionali e avanzati. Note Bibliografiche Janet Gleeson, "Arcanum - dalla pietra filosofale alla porcellana: storia di, un enigma scientifico e dell'alchimista che lo risolse". Rizzoli Editore Autori vari "Manuale dei materiali per l'ingegneria", McGraw-Hill Libri Italia.